یک درایو متغیر فرکانس variable frequency drive  نوعی کنترلر موتور است که با تغییر فرکانس و ولتاژ عرضه شده به موتور الکتریکی آن را هدایت می کند.

نامهای دیگر VFD عبارتند از: درایو با سرعت متغیر، درایو با سرعت قابل تنظیم، درایو با فرکانس قابل تنظیم، درایو AC، میکرودریو و اینورتر.

از نظر ورودی اینورترها  به دو دسته تک فاز و سه فاز تقسیم می‌گردند. البته خروجی همه آنها سه فاز است برای اینورترهایی باتوان بالا فقط از ورودی سه فاز استفاده می‌شود.

نحوه کارکرد اینورتر ها

همانطور که می‌دانیم فرکانس (یا هرتز) مستقیماً با سرعت موتور (RPM) مرتبط است. به عبارت دیگر هرچه فرکانس سریعتر باشد، RPM بیشتر می‌شود.

اگر در پروژه‌ای نیاز به یک موتور الکتریکی نداشته باشیم که با سرعت کامل خود کار کند، از VFD می‌تواند برای پایین آمدن فرکانس و ولتاژ برای رفع نیازهای بار موتور الکتریکی استفاده شود.

با تغییر الزامات سرعت موتور برنامه، VFD  می تواند سرعت موتور را بالا و پایین برد تا بتواند نیاز سرعت لازمه را برآورده سازد. سرعت هر موتور AC با تعداد قطب استاتور آن رابطه معکوس و با فرکانس ولتاژ منبع تغذیه رابطه مستقیم دارد.

نحوه تغییر سرعت موتور با اینورتر

بنابراین، برای تغییر سرعت موتور AC، باید فرکانس یا تعداد قطب استاتور را تغییر دهیم.

از آنجا که تعداد قطب استاتور برای هر موتور ثابت است، بدیهی است که ما نمی توانیم آنها را تغییر دهیم.

با تغییر فرکانس ولتاژ منبع تغذیه از طریق برخی روش های ساده تر، می توان سرعت موتور را تغییر داد.

با این وجود، تغییر فقط فرکانس در ولتاژ ثابت (120 یا 230) باعث می شود مقاومت امپدانس معادل موتور کاهش یابد، در نتیجه شار مغناطیسی بیشتری ایجاد می شود و باعث می شود موتور شروع به ترسیم جریان‌های عظیم خطرناک کند.

بنابراین ضروری است که ولتاژ منبع تغذیه نیز به صورت متناسب با فرکانس با نسبت ثابت مشخص کاهش یابد.

عدم انجام این کار باعث می شود شار مغناطیسی موتور اشباع شود و موتور آسیب ببیند.

متغیر بودن فرکانس و ولتاژ به طور متناسب باعث افزایش گشتاور ثابت می شود زیرا میدان مغناطیسی در شکاف های هوا ثابت است.

هدف از VFD به طور خاص برای کنترل سرعت موتور AC با رعایت دقیق پارامترهای فوق در نظر گرفته شده است. در اینجا سرعت موتور با تغییر اندازه ولتاژ ورودی و همچنین فرکانس با نسبت ثابت تغییر می‌کند و بدین ترتیب موتور قادر است حتی در سرعت‌های پایین‌تر گشتاور ثابت را حفظ کند.

نسبت ولتاژ به فرکانس

یکی از ویژگی های اصلی موتورهای AC این است که نسبت ولتاژ به فرکانس باید در محدوده کاری موتور ثابت باشد.

این دقیقاً همان چیزی است که VFD ها برای حفظ آن طراحی شده اند و هدف اصلی یک VFD است.

با گفتن این نکته، این مهم نیز خواهد بود که بدانیم سرعت موتور AC نمی تواند فراتر از سرعت پایه خاص آن (سرعت اسمی) باشد.

عبور از این حد باعث ضعف میدان، کاهش گشتاور و رفتار غیر خطی یا ناگهانی موتور خواهد شد.

مدار داخلی VFD ها

مدار الکترونیکی در یک VFD به طرز نامحسوس به سه مرحله اصلی تقسیم می شود.

• مبدل ورودی (مرحله یکسو کننده پل)
• مرحله فیلتر
•  با استفاده از میکروکنترلرها و.

 مبدل ورودی

این مرحله شامل دیودهای پرقدرت است که در یک پیکربندی مرتب قرار گرفته اند.

شبکه AC اعمال شده در این مرحله اصلاح می شود و به DC تبدیل می شود.

اما این DC از اجزای باقیمانده AC و هارمونیک‌ها خلاص نیست و نیاز به فیلتر بیشتر دارد.

مبدل از شش دیود تشکیل شده است، که مشابه شیرهای چک مورد استفاده در سیستم‌های لوله‌کشی است.

آنها اجازه می‌دهند جریان تنها در یک جهت جریان یابد.

به عنوان مثال، هرگاه ولتاژ فاز A از ولتاژ فاز B یا C مثبت تر است، آن دیود باز می شود و عبور جریان را ممکن میسازد.

وقتی فاز B از فاز A مثبت تر شود، دیود فاز B باز می شود و دیود فاز A بسته می شود.

در مورد 3 دیود موجود در سمت منفی نیز همین موضوع صادق است. بنابراین، با باز شدن و بسته شدن هر دیود، شش “پالس” فعلی دریافت می کنیم.

به این روش “VFD شش پالس” گفته می شود که پیکربندی استاندارد برای درایوهای فرکانس متغیر فعلی است.

DC BUS

در اینجا DC اصلاح شده از هارمونیک‌های سمت چپ و باقیمانده های AC با استفاده از سلف و خازن فیلتر می شود.

این مرحله باعث می شود که خروجی  کاملا ایده آل برای موتورهای AC باشد.

با اضافه کردن یک خازن می توانیم از شر موجی بودن  در قسمت DC خلاص شویم.

این خازن قسمت موج دار AC را جذب می کند و ولتاژ DC صافی را تحویل می دهد.

موج دار شدن AC در باس DC معمولاً كمتر از 3 ولت است. بنابراین، ولتاژ در باس DC به تقریبا همان 650 ولت DC  تبدیل می شود.

این مقدار ولتاژ خروجی به موارد زیر بستگی دارد

• میزان ولتاژ خط AC که درایو را تغذیه می کند
• میزان عدم تعادل ولتاژ در سیستم برق
• بار موتور
• امپدانس سیستم نیرو و هرگونه راکتور یا فیلتر هارمونیک درایو

اینورتر

 همانطور که از نام آن مشخص است، این مرحله ولتاژ مستقیم از باس DC را به AC تغییر میدهد، اما به روشی بسیار خاص که قلب یا به اصطلاح مغز مدار را تشکیل می دهد.

این برنامه از IC های میکروکنترلر پیچیده طراحی شده و برنامه ریزی شده است به خصوص برای تغییر فرکانس خروجی متناسب با ولتاژ و همچنین ایجاد یک خروجی سه فاز از ورودی تک فاز.

این مرحله بویژه VFD ها را برای کنترل سرعت موتور AC بسیار منحصر به فرد و ایده آل می کند.

توجه داشته باشید که در یک VFD واقعی، سوئیچ های نشان داده شده در واقع ترانزیستور هستند.

مزایا استفاده از VFD در سیستم های اتوماسیون صنعتی

1.کاهش مصرف انرژی و هزینه های انرژی

 2.افزایش تولید را از طریق کنترل کارآمد تر فرآیند

 3.طول عمر تجهیزات را افزایش و تعمیر و نگهداری را کاهش دهید

4.کاربرد اینورتر در ایجاد گشتاور متغیر

بارهایی که به درایو های AC اعمال می‌ شود به دو گروه تقسیم می شود

•  گشتاور ثابت
•  گشتاور متغیر

توانایی صرفه‌ جویی انرژیی بارهای گشتاور متغیر، بسیار بیشتر از بارهای گشتاور ثابت است.

 بارهای گشتاور متغیر

شامل پمپ‌ ها و فن‌ های گریز از مرکز است که اکثرا کاربردهای HVAC که مخفف کلمه های  Heating, ventilation, and air conditioning هست را در اتوماسیون صنعتی دارند.

که به مجموعه تکنولوژی های مربوط به گرمایش، تهویه و تهویه‌ مطبوع گفته می‌شود که در برگیرنده فناوری‌ های مربوط به ایجاد آسایش از طریق تهویه و ایجاد شرایط دمایی مطبوع برای محیط‌ های داخلی ساختمان وهوشمند سازی ساختمان ها می باشد.

بارهای گشتاور ثابت

شامل نوار نقاله ارتعاشی، پرس پانچ، سنگ شکن، ماشین ابزارها و کاربردهای دیگری هستند که در آنها درایو از نسبت ثابت V/F پیروی می‌کند یعنی به آن اندازه که فرکانس تغییر می کند به همان نسبت ولتاژ تغییر خواهد کرد.

درایو از این بازخورد مستمر برای تنظیم خود برای حفظ نقطه تعیین‌ شده استفاده می‌کند.